摘 要:分析了采用差分傳輸參考(differential transmitted reference)—直接序列擴(kuò)頻—二進(jìn)制移相鍵控(DTR—DS—BPSK)方案的超寬帶(ultra—wideband,UWB)通信系統(tǒng)的原理及其實(shí)現(xiàn)方案,在此基礎(chǔ)上,提出了一種適用于DTR—DS—BPSK UWB通信系統(tǒng)的同步方案,并利用Matlab對(duì)該方案在室外環(huán)境下的捕獲性能進(jìn)行了仿真,從而為室外環(huán)境下超寬帶通信系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞:超寬帶通信系統(tǒng);差分傳輸參考;直接序列擴(kuò)頻;同步
中圖分類(lèi)號(hào):TN911 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1004373X(2008)0305403
A Synchronization Scheme for DTR—DS—BPSK UWB Communication System
KANG Rongzong,ZHANG Jian,LIU Luokun
(Institute of Information Engineering,PLA Information Engineering University,Zhengzhou,450002,China)
Abstract:After an introduction to the principle and implementation of DTR—DS—BPSK UWB communication system,an synchronization scheme for DTR—DS—BPSK UWB communication system is obtained.Numerical simulations are performed with Matlab to verify the acquisition performance of this scheme under the outdoor environment,a reference for the design of UWB communication system under the outdoor environment is given.
Keywords:UWB communication system;differential transmitted reference;DS;synchronization
1 引 言
超寬帶無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)作為一種新興的技術(shù),相對(duì)于窄帶通信方式而言,具有頻帶寬、發(fā)射功率低、傳輸速率高、多徑分辨能力強(qiáng),穿透能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此在高速無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)、目標(biāo)定位與跟蹤等方面有著廣泛的應(yīng)用。
UWB采用沖激脈沖攜帶信息實(shí)現(xiàn)了信號(hào)頻譜的大幅擴(kuò)展,但是,UWB信號(hào)的大帶寬造成信道的極度頻率選擇性,導(dǎo)致接收到的信號(hào)波形畸變嚴(yán)重,要使系統(tǒng)具有較好的檢測(cè)性能,就必須精確估計(jì)出信道參數(shù),這是非常困難的。即使信道特性已知,標(biāo)準(zhǔn)的UWB系統(tǒng)所采用的RAKE接收機(jī)也需要數(shù)量極多的延遲分支,導(dǎo)致復(fù)雜度大大增加,且由于脈沖持續(xù)時(shí)間極短,脈沖同步和幀定時(shí)變得困難。為了減輕UWB信道估計(jì)的困難和對(duì)定時(shí)的要求,Hoctor和 Tomlinson[1,2]提出了傳輸參考(Transmitted reference)沖激無(wú)線(xiàn)電(TR UWB)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在UWB多徑信道環(huán)境中利用一個(gè)簡(jiǎn)單的接收機(jī)結(jié)構(gòu)收集到所有的能量,而且系統(tǒng)不需要復(fù)雜的信道估計(jì),并對(duì)于失真并不敏感。但是這種系統(tǒng)在傳輸信息脈沖的同時(shí)又要傳輸一個(gè)參考脈沖從而降低了信息傳輸?shù)男?,為此Chao 和Scholtz[3]基于自相關(guān)解調(diào)和差分編碼[4]的思想提出了差分傳輸參考(DTR)系統(tǒng),除了具有傳統(tǒng)的TR的優(yōu)點(diǎn)外,這種采用前一個(gè)信息符號(hào)的脈沖作為參考的DTR系統(tǒng)有3 dB的性能提升,并且可以傳輸更高的傳輸速率。
在調(diào)制方式上,UWB—IR系統(tǒng)一般采用PPM或BPSK的調(diào)制方式。PPM可以通過(guò)多個(gè)位置調(diào)制來(lái)提高信息傳輸速率,然而,PPM調(diào)制的脈沖信號(hào)的功率存在離散譜線(xiàn)會(huì)對(duì)現(xiàn)有窄帶通信系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響,從而不滿(mǎn)足FCC對(duì)UWB信號(hào)頻譜的規(guī)定。若采用BPSK調(diào)制,由于信號(hào)均值為零,功率譜中不含離散譜線(xiàn),完全由脈沖的頻譜決定。在滿(mǎn)足FCC對(duì)UWB信號(hào)頻譜密度特性要求上,BPSK是更為理想的一種調(diào)制方式。
上述的調(diào)制方式與擴(kuò)頻技術(shù)(TH—SS,DS—SS)相結(jié)合,可以得到不同的多址接入方案,典型的組合方案為T(mén)H—PPM和DS—BPSK。相比較而言,DS—BPSK具有通信速率高,抗多徑能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。所以在UWB通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中,采用DS—BPSK的UWB通信系統(tǒng)是較為理想的實(shí)現(xiàn)方案。
通過(guò)以上分析,我們采用了差分傳輸參考—直接序列擴(kuò)頻—二進(jìn)制移相鍵控(DTR—DS—BPSK)體制的超寬帶系統(tǒng),而同步問(wèn)題是UWB通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮的重要問(wèn)題之一。由于脈沖持續(xù)時(shí)間極短,ns級(jí)的定時(shí)誤差可以嚴(yán)重影響UWB系統(tǒng)的性能[5],這就給UWB系統(tǒng)中的同步捕獲帶來(lái)困難。與傳統(tǒng)的脈沖UWB系統(tǒng)相比,本文提出的適用于DTR—DS—BPSK UWB系統(tǒng)的同步方案具有簡(jiǎn)單、快速、占用資源少的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)采用DTR—DS—UWB的UWB通信系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行分析,針對(duì)該系統(tǒng)給出了一種簡(jiǎn)單的符號(hào)同步捕獲方法。并通過(guò)仿真計(jì)算,分析了該方法在室外環(huán)境條件下的捕獲性能,對(duì)室外環(huán)境下超寬帶通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的意義。
2 DTR—DS—BPSK UWB信號(hào)模型
圖1給出了DTR系統(tǒng)的發(fā)送端結(jié)構(gòu)框圖,信息符號(hào)di和擴(kuò)頻碼bj相乘進(jìn)行直接序列擴(kuò)頻調(diào)制后得到bjdi;再進(jìn)行差分編碼,即前一個(gè)編碼數(shù)據(jù)ai,j+1被反饋回來(lái),ai,j作為當(dāng)前信息比特的參考被信息數(shù)據(jù)比特bjdi所調(diào)制;而后經(jīng)過(guò)脈沖產(chǎn)生及其BPSK調(diào)制模塊發(fā)送出去。
圖1 DTR—DS—BPSK UWB發(fā)送機(jī)結(jié)構(gòu)DTR—DS—BPSK UWB發(fā)送信號(hào)可描述為:
其中: ai,j+1=ai,jbjdi,ai+1,0=ai,Nf-1bNf-1di,ti,j=(j+iNf)Tf,di表示第i個(gè)數(shù)據(jù)信息符號(hào),bj∈{+1,-1}表示擴(kuò)頻序列。假設(shè)每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)由Nf幀組成,即Tb=NfTf,每發(fā)射一個(gè)信息符號(hào)Tb時(shí)間內(nèi)發(fā)射脈沖的數(shù)目Nf取決于系統(tǒng)采用的擴(kuò)頻碼(PN碼)的周期,這里設(shè)每幀內(nèi)只含有一個(gè)脈沖波形。p(t)為持續(xù)時(shí)間為T(mén)p(Tf)的單周期脈沖波形,Tf(ns)為脈沖重復(fù)周期。p(t)一般為高斯函數(shù)的二階導(dǎo)數(shù),可以表示為:
3 同步算法
通過(guò)上節(jié)對(duì)DTR—DS—BPSK UWB發(fā)送信號(hào)模型的分析,針對(duì)本系統(tǒng)所采用的脈沖傳輸體制和調(diào)制方式及其多址技術(shù),我們提出了一種適用于此系統(tǒng)的同步方案,如圖2所示。
首先對(duì)接收機(jī)接收到的信號(hào)進(jìn)行解差分,接收到的信號(hào)分為兩路,一路經(jīng)過(guò)Tf延時(shí)后和原信號(hào)相乘,即把前一幀的脈沖信號(hào)作為本幀脈沖的參考脈沖做相關(guān)運(yùn)算,恢復(fù)出發(fā)送的擴(kuò)頻序列;再將此每幀的相關(guān)值作為匹配濾波器的輸入,經(jīng)過(guò)Nf個(gè)移位寄存器和本地?cái)U(kuò)頻碼Cm,m∈(1,2,…Nf)分別逐幀作相關(guān)匹配,得到相應(yīng)的判決變量,將這Nf個(gè)判決變量求和后得到最終的判決變量,完成對(duì)擴(kuò)頻碼的匹配相關(guān)運(yùn)算。為降低虛警概率,此輸出的相關(guān)值和預(yù)先設(shè)定的門(mén)限值進(jìn)行比較以決定是否接收到的信號(hào)中含有信息數(shù)據(jù),如果小于門(mén)限,判定接收到的信號(hào)為非匹配信號(hào),則進(jìn)行下一個(gè)相位的匹配相關(guān)運(yùn)算;如果大于門(mén)限,將此相關(guān)值存儲(chǔ),并不斷進(jìn)行最值比較更新,這樣當(dāng)接收到的碼符號(hào)序列和本地參考相匹配時(shí)輸出最大值,接收機(jī)的碼發(fā)生器被啟動(dòng)后,啟動(dòng)的初始條件和接收到的碼相位相對(duì)應(yīng),這樣就在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)了同步過(guò)程。
圖2 DTR—DS—BPSK UWB同步結(jié)構(gòu)框圖
與傳統(tǒng)的DS—UWB系統(tǒng)中采用的匹配濾波思想進(jìn)行同步捕獲時(shí)不同的是,傳統(tǒng)的DS—UWB系統(tǒng)在匹配相關(guān)時(shí)需要存儲(chǔ)本地波形和接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān),這樣需要占用一定的資源,且如果擴(kuò)頻碼較長(zhǎng),在匹配相關(guān)時(shí)就需要大量的乘法運(yùn)算,從而需要占用較多的資源,并且發(fā)送端信號(hào)經(jīng)過(guò)復(fù)雜的信道環(huán)境后波形失真嚴(yán)重,要產(chǎn)生與之匹配的精確本地波形是非常困難的。而本文提出的適用于DTR—DS—BPSK UWB系統(tǒng)的基于匹配濾波思想的捕獲方案中,由于前端對(duì)脈沖已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)檢測(cè),本地匹配濾波器不必存儲(chǔ)復(fù)雜脈沖的波形,只需存儲(chǔ)簡(jiǎn)單的擴(kuò)頻碼,且在匹配相關(guān)時(shí)僅完成簡(jiǎn)單的加法運(yùn)算,大大減少了對(duì)資源的耗費(fèi)。圖3給出了本地碼的存儲(chǔ)示意圖。
圖3 本地?cái)U(kuò)頻碼示意圖
本地參考碼的碼型與發(fā)送端擴(kuò)頻碼碼型相同,其碼個(gè)數(shù)為擴(kuò)頻碼碼長(zhǎng)為Nf。由于DTR—DS—BPSK UWB中采用了窄脈沖體制,脈沖具有一定的占空比,即大部分時(shí)間段內(nèi)無(wú)信號(hào)能量。在匹配相關(guān)時(shí),為了提高系統(tǒng)的處理增益,本地參考碼的每個(gè)碼字實(shí)際存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為T(mén)I,且全為1,而其他Tf-TI時(shí)間段內(nèi)為0。TI相當(dāng)于積分寬度,如果TI=Tp,在多徑情況下,實(shí)際上是完成了對(duì)某一徑信號(hào)的捕獲。一般Tp
4 仿真結(jié)果
為了檢驗(yàn)上節(jié)適用于DTR—DS—BPSK UWB系統(tǒng)的同步方案在室外公里級(jí)距離條件下的捕獲性能,并為中距離室外環(huán)境下超寬帶通信系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)提供一定的參考,采用Matlab仿真進(jìn)行性能分析。
目前有關(guān)UWB—IR系統(tǒng)的信道仿真和建模的文獻(xiàn)中多數(shù)為室內(nèi)環(huán)境條件下,如IEEE 802.15.3a;在室外環(huán)境下,現(xiàn)有的相關(guān)模型有IEEE.802.15.4a,但此模型也只適用于近距離的環(huán)境下,在公里級(jí)距離的室外環(huán)境下還沒(méi)有明確的信道模型,國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)較少,文獻(xiàn)[6]給出了一種簡(jiǎn)單的UWB—IR室外通信信道的仿真模型,該模型考慮了含有損耗和多徑條件影響下的1~5 km間的公里級(jí)室外信道模型(沒(méi)有考慮雨霧等氣象的因素,即頻率選擇性衰落的影響)。在該模型下仿真了不同擴(kuò)頻碼長(zhǎng)度下同步捕獲概率和信噪比之間的關(guān)系,如圖4所示。具體參數(shù)設(shè)置如下:脈沖寬度Tp= 4 ns,脈沖間隔Tf=60 ns,采樣頻率為2 GHz,傳輸距離1 km的室外開(kāi)闊地,多徑數(shù)目為10,擴(kuò)頻碼長(zhǎng)度Nf分別為31,63,127,255。
圖4 捕獲概率和信噪比的關(guān)系
從上面給出的仿真結(jié)果可以看出,DTR—DS—BPSK UWB通信系統(tǒng)中同步捕獲概率受到接收機(jī)輸入信噪比及其采用的PN碼周期等因素的影響,隨著接收機(jī)信噪比的
提高,捕獲概率也提高,并且在信噪比一定的條件下,隨著PN碼周期的增加,捕獲性能變好,而且碼周期長(zhǎng)的系統(tǒng)所能忍受的最低信噪比變強(qiáng)。
5 結(jié)語(yǔ)
同步是UWB無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中很重要的問(wèn)題,本文詳細(xì)分析了DTR—DS—BPSK UWB系統(tǒng),并針對(duì)該系統(tǒng)提出了一種簡(jiǎn)單有效的同步方案,通過(guò)仿真給出了該同步方法在室外環(huán)境下公里級(jí)距離條件下的捕獲性能,從而為室外環(huán)境下超寬帶系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。分析和仿真結(jié)果表明,該同步方案具有簡(jiǎn)單快速同步的功能。
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作者簡(jiǎn)介 康榮宗 男,1983年出生,碩士研究生。主要研究方向?yàn)槌瑢拵o(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。
張 劍 男,1976年出生,博士研究生,講師。主要研究方向?yàn)槌瑢拵o(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。
劉洛琨 男,1963年出生,碩士生導(dǎo)師,副教授。主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信系統(tǒng),無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)、超寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)。
注:本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。